T18 y 19 Mecanismos de Transducción de Señales en Neurobiología PDF

T18 Y 19. MECANISMOS DE TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES EN NEUROBIOLOGÍA 1. INTRODUCCIÓN Las células responden de forma específica a múltiples señales de su entorno que no pueden atravesar la membrana plasmática usando módulos de transducción de señales, que incluyen: Receptores específicos de la mem...

T18 Y 19. MECANISMOS DE TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES EN NEUROBIOLOGÍA 1. INTRODUCCIÓN Las células responden de forma específica a múltiples señales de su entorno que no pueden atravesar la membrana plasmática usando módulos de transducción de señales, que incluyen: Receptores específicos de la membrana de la superficie celular. Sistemas efectores de señalización. Proteínas reguladoras. Los receptores pueden: Tener una actividad enzimática intrínseca (p. ej., proteína cinasa, proteína fosfatasa, actividad de canales iónicos). Estar acoplados a proteínas que estimulan la generación citosólica de moléculas de bajo peso molecular denominadas segundos mensajeros (p. ej., AMPc, GMPc, IP3, DAG y Ca2+). Los segundos mensajeros estimulan a continuación a proteínas de señalización intracelulares, como fosfolipasas y proteína cinasas, que producen el efecto funcional de la señal original. La especificidad tisular de la señalización se mantiene gracias a la expresión diferencial de receptores y proteínas efectoras. Especificidad → lo importante es que las señales sean muy específicas. Hay diferentes grupos de hormonas según su función, y los Rs tambn serán específicos para cada hormona/proteína/NT… Según la naturaleza del ligando habrá una interacción u otra. Por ejemplo, las moléculas esteroideas pueden atravesar la membrana sin receptores. También hay moléculas de adhesión. 1  Hay proteínas con actividad kinasa, que reciben una señal y se modifican para enviar otra info a otras proteínas o moléculas. Hay canales iónicos que se abren y cierran en diferentes condiciones. Hay Rs acoplados a proteínas G. También Rs con actividad enzimática por sí mismos que no necesitan ayuda de nadie, reciben al ligando y actúan sobre las proteínas en el interior de la cel. 2. RECEPTORES TIROSINA QUINASA RTK Tienen actividad enzimática en su propia estructura: Su dominio extracel contacta con el ligando. Tienen una zona TM. Otro dominio intramembrana con act enzimática. Dentro de la amplia variedad de estos Rs, hay Rs de factores de crecimiento de fibroblastos, de plaquetas, de insulina… Por ejemplo tras una isquemia se secretará un factor de crecimiento vascular que irá a su receptor con actividad tirosina quinasa y activa determinadas funciones. Los receptores tirosina quinasa tienen esta actividad enzimática en su extremo C‐terminal. Normalmente tienen un dominio transmembrana y están en forma de monómero en su forma libre (y por tanto inactiva). ➔ La forma más habitual de activación suele ser la dimerización. Una excepción es el caso del receptor de insulina que ya es un dímero en estado libre y se activa cuando se une un ligando y se produce un cambio conformacional. 2  Una vez se activa un receptor tirosina quinasa (por dimerización o cambio conformacional), los dominios citoplasmáticos se acercan y se fosforilan de forma cruzada, mutuamente, en residuos Tyr. Esta “autofosforilación” activa el receptor y ya puede fosforilar otros sustratos proteicos. Casi todas las proteínas tirosina quinasa tienen entre uno y tres residuos de Tyr autofosforilables en sus bucles de activación que asumen conformaciones similares en todas las proteínas fosforiladas de estructura conocida. Se cree que se fosforilan los residuos Tyr y no los Ser o Thr porque la cadena lateral de la Tyr es suficientemente larga como para llegar a ser sitio activo. Estos Rs se pueden activar por unión del ligando → residuos de tirosina se fosforilan, teniendo capacidad para fosforilar a otra proteína. En los Rs de insulina → se activan sólo cuando dos monómeros forman el dímero, pero hasta que no llega la insulina no se activa el Rs. En el dominio intracel habrá entre 1 y 3 residuos de tirosina que se fosforilarán y a su vez fosforilan a otras enzimas. El receptor de la insulina se sintetiza como un precursor que se proteoliza y genera dos subunidades unidas α y β unidas por enlaces disulfuro del receptor maduro. La insulina se une a las subunidades α del receptor que son completamente extracelulares. La unión de la insulina a las subunidades α produce un cambio conformacional que hace que se fosforilen los residuos Tyr del extremo C terminal de las subunidades β. El Rs de insulina son dímeros, pero hay 4 subunidades porque cada monómero tiene dos zonas: alfa y beta. Llega el ligando y los residuos de tirosina se fosforlilan dentro de la cél. Hay diferentes teorías para explicar cómo se fosforilan: Llega la insulina y hay una modificación estructural en la parte intracel. El receptor se autofosforila a sí mismo, pero los dominios se fosforilan recíprocamente (uno al otro y al revés). 3 El efecto que tiene la insulina sobre el SNC, entre otros: - Modulación del ciclo apetito-saciedad. - Función reproductiva. - Liberación de NTs. - Supervivencia neuronal. - Plasticidad sináptica. Se ha comprobado lo siguiente: Se ha descrito una relación estrecha entre tener un tipo de diabetes y el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer. Resistencia a insulina relacionada con un peor rendimiento de la memoria inmediata → Desarreglos en niveles de glucosa puede alterar la memoria. Problemas neurológicos relacionados con la diabetes → personas con niveles de diabetes altos y sin control en niveles de glucosa sufrirán procesos de alteración en el SN (entumecimiento, dolor, hormigueos, mareos…). 2.1. El ejemplo de la vía de señalización de la insulina Llega la señal al receptor con sus subunidades alfa y beta y hay una cascada de señalización. 1. Llega la insulina, se activa el Rs y éste activado activa al IRS (insulin receptor substrate). 2. Luego se activa la siguiente proteína, la fosfoinositol 3 kinasa (PI3K) que reacciona con unos fosfolípidos de la membrana, en concreto con el fosfoinositol bifosfato (PIP2). Al ser una kinasa, se le añade otro fosfato, transformándolo en fosfoinositol trifosfato (PIP3). 3. Las moléculas de PIP3 atraen a otras enzimas que tienen un dominio que se anclan en la membrana: PDK1 y mTORC2. PKB (también llamada AKT) está en la membrana. 4. Al quedar ambas en la membrana PDK1 y mTORC2 fosforilan a AKT (PKB) en distintos residuos, distintas posiciones, pero ambas activan al AKT. ○ mTORC2 realmente es un complejo de proteínas, no una proteína sola. ○ AKT queda fosforilada y activada. Lo que activa esta fosforilación de AKT son cadenas de señalización que activan el crecimiento, supervivencia y diferenciación, entre otras. 4 A partir de ahí, una de las funciones que puede tener AKT es inhibir una proteína llamada TSC, que a su vez va a inhibir a una proteína que inhibe a mTORC (es una proteína que forma el complejo mTORC2, pero no el complejo), mTORC ya activo activa la síntesis de otras proteínas. Entonces, AKT activa la función de mTORC pero de manera indirecta. mTORC1 se activa cuando hay glucosa, aa… entonces en este caso se activa mTORC para fabricar proteínas porque hay material para sintetizar. AKT tiene muchas funciones Otra función de AKT es inhibir la apoptosis, inhibiendo la cadena de señalización de la apoptosis. Otra función de AKT activada es fosforilar a GSK3 (kinasa de la glucógeno sintasa) y de esta manera la inhibe. La GSK3 inhibía a la glucógeno sintasa y la GSK3 ahora no puede inhibir a la glucógeno sintasa por lo que se genera glucógeno. ○ En este caso también se inhibe a la que inhibe la glucógeno sintasa para que haya menos glucosa y se reserve como glucógeno. Cuando hay mucha glucosa se genera glucógeno para almacenar la glucosa. Otra función: La AKT fosforila a la AS160 activándola, haciendo que éste se suelte de una vesícula GLUT. La vesícula sóla se va a la membrana y se integra en la membrana para que se transporte la glucosa en la membrana haciendo que entre glucosa dentro de la cel. Otra función: AKT promueve un factor de transcrición CREB que entra al núcleo para transcribir genes CREB que contienen enzimas de la ruta de la glucólisis. 5 Hay que tener en cuenta que no es blanco o negro, sino que siempre habrá unas rutas de glucólisis y otras de lo contrario, pero el balance neto se balanceará hacia un lado y otro. 2.2. Vía PI3K / PDK/AKT 6 Esta cascada de señalización tambn puede ser activada por receptores activados a proteínas G. La activación de estos Rs no sólo llevará la activación de esta vía contada anteriormente, sino que se activa otra vía, la vía de las MAPSK. La actividad de Akt se encuentra regulada al menos por dos fosforilaciones. La primera de ellas, la fosforilación en la Thr308 (vía RTK/PI3K/PDK1). La segunda directamente a través de mTORC2 en la Ser473. Esta segunda fosforilación procedente de mTORC2 evidencia la estrecha relación existente entre ambos complejos de mTOR, en donde la activación de mTORC2 es esencial para la activación de Akt y consecuentemente para la activación de mTORC1. El inicio de la vía PI3K/AKT tiene lugar en la superficie de la membrana plasmática mediante la unión de diferentes factores de crecimiento como: insulina. IGF‐1 (insulin‐like growth factor). NGF (nerve growith factor). BDNF (brain derived neurotrophic growth factor). VEGF (vascular endothelial growth factor). diversas neurotrofinas (NT‐1, 3 y 4). diferentes hormonas. 7 La Shc es un complejo unido al Rs, que fosforila y activa a Grb2, que a su vez activa a SOS (es un intercambiador de nucleóticos) que interacionará con una GTPasa llamada RAS (GTPasa = normalmente está unida a GDP). La SOS hace que RAS suelte el GDP, en el citoplasma habrá alta abundancia de GTP y por lo tanto el RAS coge un GTP quedando activa. RAS activa a Raf, que activa a MEK que activa a ERK (esta ERK es la MAP kinasa, kinasa que fosforila a una proteína que activa la mitogénesis = crecimiento y multiplicación cel). La kinasa que fosforila a ERK es la MAP K, para arriba, la kinasa que fosforila a la kinasa es la MAPKK, y la kinasa que fosforila a la kinasa que fosforila a la kinasa es la MAPKKK. 8 ERK puede entrar al núcleo y actuar como un factor de transcripción para promover que se transcriba otra variedad de proteínas. Tanto GPCR como RTK implican a una proteína G. Los RTK logran la activación de la proteína Ras no interaccionan directamente con Ras sino indirectamente, mediante el ensamblaje intermedio de unas proteínas de adaptación: la GRB2, que contiene dominios SH2 y SH3 y la proteína Sos. 3. RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNAS G (GPCR) Esta familia incluye receptores para: Nucleósidos. Nucleótidos. Ca2+. Eicosaenoides. Hormonas proteícas. Catecolaminas y otras aminas (p.e. histamina y serotonina). El receptor β-adrenérgico es una proteína integral de membrana con siete hélices α que atraviesan la membrana. El sitio de unión para los agonistas β- adrenérgicos está en el lado extracellular. El sitio de unión para la proteína Gs está en el lado citoplásmico. Todos los receptores acoplados a proteínas G son similares al receptor β-adrenérgico en su secuencia de aminoácidos y su topografía en la membrana. 3.1. Proteínas G heterotriméricas Estos Rs tienen varias zonas TM, no son tan lineales, la zona extracel está protegido x oligosacáridos para evitar la lisis de las proteasas en esta zona y luego está la zona donde se une el ligando. Las GTPasas sueltan GDP y cogen GTP. Las proteínas G son heterotriméricas, la subunidad alfa es la que tiene la actividad GTPasa. Este sistema de transducción de señales tiene 3 componentes principales: Receptores acoplados a proteínas G. Proteínas G heterotriméricas. Adenilato ciclasa (mayoría) o fosfolipasa C (PLC). Con una interacción ligando‐receptor puede activar más de una proteína G, lo que sirve para amplificar la señal extracelular original. La superfamilia de las GTPasas o proteínas G reciben su nombre por su capacidad de unir los nucleótidos de guanidina de GTP y GDP, y de hidrolizar GTP a GDP y Pi. Son heterotrímeros, están formadas por tres subunidades: α β γ (45, 37, 9 kD). La subunidad α, designada Gα, está formada por dos dominios conectados por dos segmentos polipeptídicos: Dominio GTPasa muy conservado que contiene el sitio de unión de los nucleótidos de guanina en un surco profundo y está anclado a la membrana. Dominio helicoidal único en las proteínas G heterotriméricas. 9 La subunidad β y γ está anclada a la membrana. Están estrechamente asociadas a lo largo de su longitud mediante interacciones hidrófobas. Sólo se disocian en condiciones de desnaturalización, se habla del complejo Gβγ. Tenemos el Rs, cuando llega esa señalización, la proteína G está unida al Rs (con alfa y gamma, unidas a la membrana). Llega el ligando y la subunidad alfa de la prot.G se separa, beta y gamma quedan unidas al resto del complejo. Según sea subunidad alfa s o alfa q tendrá una función u otra. Dentro de cada alfa s hay otras proteínas: alfa s 1, alfa s 2… y lo mismo ocurre con alfa q y las demás. → Tabla de las diapos. La subunidad alfa de tipo s de la prot. G activa a la adenilato ciclasa, las alfa i la inhiben. Las alfa activan a la PLC. 3.2. Adenilato ciclasa La enzima adenilato ciclasa está anclada a la membrana y tiene un zona en el dominio intracel dnd se une a otras enzimas, otro dominio que se une a las que la inhiben. Su función principal es generar AMPc. Se recibe el input de una subunidad alfa de tipo s que se libera y reacciona con la adenilato ciclasa activándola, ahora la adenilato ciclasa genera AMPc (le quita dos P al ATP, generando AMPc (monofosfato cíclico)). Esta reacción se frena cuando hay procesos de control por la enzima fosfodiesterasa que convierte el AMPc en AMP lineal, parando lo que ocurre a continuación. 10 La adenilato ciclasa activada cataliza la síntesis de AMP cíclico (AMPc) a partir de ATP El AMPc se une a diversas proteínas para activar numerosos procesos celulares, siendo un segundo mensajero que transmite la señal originada por el ligando extracelular. El AMPc se sintetiza continuamente y se inactiva por hidrólisis, convirtiéndose en AMP-5’ por la acción de una familia de enzimas conocidas como fosfodiesterasas (PDE). ➔ El complejo hormona-GPCR debe desactivarse con el fin de restituir el estado de reposo en la célula no estimulado. En el caso de los receptores β-adrenérgicos, la desensibilización del receptor, tiene lugar tras una exposición prolongada a la hormona, supone la fosforilación del extremo C- terminal del receptor β-adrenérgico por una quinasa conocida como quinasa de receptor β-adrenérgico. Los receptores α2- adrenérgicos inhiben la adenilil ciclasa y la producción de AMPc. Están acoplados a la forma inhibitoria de la subunidad α de la proteína G, denominada Giα, que inhibe la actividad de la adenilil ciclasa y reduce las concentraciones de AMPc El AMPc es el 2º mensajero que activa una kinasa, la proteína kinasa A (PKA). Esta PKA tiene 2 subunidades reguladoras y 2 subunidades catalíticas. Dos moléculas de AMPc se unen a cada subunidad reguladora, liberando a las 2 subunidades catalíticas, teniendo una PKA activa. La PKA activa puede ir al núcleo y fosforilar y activar al CREB que activa una zona de transcripción que también se llama CREB. ➔ Si la señal que se recibe no es a través del Rs, sino que la recibe otro Rs o el mismo pero asociado a una protG de tipo i, se inhibe la adenilato ciclasa. 3.3. Proteína quinasa A (PKA) 11 PKA es parecido a PKB pq tiene muchas funciones, sobre canales, como factor de transcripción en núcleo o directamente sobre enzimas. PKA, por ejemplo, fosforila la glucógeno sintasa, activandola. Un ejemplo de esta señalización es el opuesto a la insulina, el glucagón. El glucagón se secreta cuando hay poca glucosa. El glucagón llega a la glucosa e inhibe a la glucógeno sintasa para que no se sintetice glucógeno. Otra enzima que fosforila, pero en este caso activandola es a la glucógeno fosforilasa kinasa, que fosforila a la glucógeno fosforilasa pero esta fosforilación lo que hace es que se active, sacando glucosa que es lo que se necesita y que no se sintetice mas glucógeno (almacén). Esto es un estado de escasez. Lo que ocurría con la señalización de la insulina es que había estado de abundancia. CREB para actuar necesita los coactivadores crTc. Estos CRTC si están en el citoplasma fosforilados no pueden entrar al nucleo. Los CRTC son fosforilados por unas kinasas SIKs. Si las SIKs están activadas fosforilan a CRTC y salen del núcleo y CREB no se activa. El AMPc cíclico inhibe a las SIKs y ayudan a la acción de CREB porque entran los CRTC en el núcleo. CRTC debe estar desfosforilada para entrar el núcleo. 12 En paralelo a la actividad de la kinasa SIKs, hay una fosfatasa llamada calcineurina (CN), que quita el fosfato de los CRTC, permitiendo que entre al nucleo. 13  PKA activa canales de Ca y permite que entre Ca. El Ca activa la calcineurina. 3.4. Fosfolipasa C (PLC) Hay una subestructura alfa de tipo q. El Rs de tipo adrenérgico está unido a una prot G con una alfa q, además de las subunidades beta y gamma. Cuando se recibe la señalización, suelta GDP, toma GTP y se suelta la subunidad alfa de tipo q que ejerce efecto sobre la enzima fosfolipasa C (PLC) (ésta tiene como sustrato el fosfoinositol bifosfato). La PLC tiene un efecto sobre el fosfoinositol bifosfato, que como una PLC es una lipasa corta los lípidos y rompe la molécula dejando anclado a la membrana el diaceril glicerol (la parte del lípido) y el inositol bifosfato se libera. El inositol bifosfato va al RE que activa unos canales de Ca, aumentando niveles de Ca en citoplasma. Unas proteínas, las calmodulinas tienen una forma característica que les permite unirse al Ca y activar a otras proteínas. Hay unas kinasas inactivas en forma libre y se activan al unirse a las ca-calmodulina, produciendo la acción kinasa en otras proteínas. Ciclo del fosfatidilinositol y su papel en la formación de 2º mensajeros Los fosfoinosítidos se encuentran sometidos a un ciclo metabólico. El PIP 2 se forma por fosforilación sucesiva del fosfatidilinositol (PI) y del fosfatidilinositol-4-monofosfato (PIP). El IP 3 formado tras la 14 hidrólisis se transforma bajo la acción de fosfatasas en IP 2 e IP (carentes de actividad en el receptor de IP3), y por la inositol-1-fosfatasa en inositol libre, que se reutiliza si existe ácido fosfatídico para regenerar el PI y cerrar así el ciclo. Las inositolfosfatasas son inhibidas de forma no competitiva por el litio (Li+); de este modo, el litio es capaz de bloquear la resíntesis de PI y de su disponibilidad para servir de elemento sustrato de esta vía de transducción de señales a través de la fosfolipasa C-β. PKC tambn tiene efecto en la enfermedad de Alzheimer, PKC puede inactivar GSK3beta fosforilandolo. GSK3beta fosforila a tau. PKC es un inhibidor de GSK3beta. Tau cuando está fosforilada es la que se acumula en las neuronas en el Alzheimer. 15 Las fosfatasas revierten el efecto de las kinasas. Hay fosfatasas específicas para desfosforilar tirosina y otras y hay diferentes familias. 16